南方農牧交錯帶降水變化及旱澇多時間尺度特征

張雪茂, 董廷旭,2, 杜華明,2, 邱 豪, 嚴 霜

(1.綿陽師范學院 資源環境工程學院, 四川 綿陽 621000; 2.生態安全與保護四川省重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

由于全球氣候變暖程度加強，水循環的改變導致水資源的時空分布狀態發生了一系列的改變，最終導致全球范圍內的旱澇災害的頻繁發生，造成重大經濟損失，嚴重阻礙社會經濟的可持續發展，引起國內外學者的高度關注，如Joo-Heon L[1]等利用標準化降水指數以及Mann-Kendall方法識別韓國五大流域的干旱趨勢，以此來說明在極端氣候變化下韓國干旱特征的未來變化；Bhuyan等人[2]研究了在歐洲地區多樹種年輪生長對不同干旱指標的不同響應；Peters等人[3]利用美國東部樹種群落組合和文獻評價的抗旱特性，對美國東部森林的干旱條件與物種空間分布及其對干旱的耐受性之間的關系進行了考察，研究發現該區域在近50 a來的長期干旱和耐旱性；Abaje等人[4]對卡杜納州降水量的時間演變和空間特征進行了相關分析。國內眾多學者也對此類問題進行了深入的研究，如襲祝香等人[5]用Mann-Kendall、變差系數等方法對松遼流域1961—2017年極端降水的空間分布、季節變化以及極端降水的強度展開了一系列的研究，對于提高該流域對于極端降水災害的防范和應對能力有極大的促進作用；杜華明等人[6]利用數理統計方法與GIS空間分析技術相結合對岷江流域降水量的時空演變特征及旱澇災害的發展趨勢進行相關的分析，得出結論為岷江流域的旱澇災害特征是澇災向旱災轉變的趨勢明顯，在未來一段時間內應做好防旱抗旱工作；楊蓉等人[7]基于趨勢線擬合、線性傾向估算、普通克里金插值等數理分析方法等對陜甘寧蒙接壤區近54 a的降水時空變化特征在空間上和時間上的變化進行了相關探討；李爍陽等人[8]對湖北省降水及旱澇時空分布特征通過旱澇Z值的EOF正交分解分布圖發現進行了相關的研究，研究發現利用此類方法能夠更好發現旱澇災害分布的空間規律。以上國內外專家、學者對韓國、歐洲、美國、松遼流域、岷江流域等地的降水時空分布特征以及旱澇災害的多時間尺度特征進行了相關的研究都對當地的發展和相關決策的制定起到了一定的參考作用。

南方農牧交錯帶[9]位于25.55°—34.31°N，98.14°—104.42°E，是青藏高原與四川盆地以及云貴高原三地的農業和畜牧業的過渡地帶[10]，在生物多樣性方面該區域處于農業與牧業地區的交錯帶，帶內不但包含有兩個相鄰群落中偏愛邊緣生境的物種，其特化的生境還會導致出現某種特有種或邊緣種，因此對該區域的研究具有十分重要的生態價值。交錯帶內的海拔高差較大，均海拔大于3 000 m。地形地貌以山地和高原為主。研究區生態環境較為脆弱，在氣候、生物、土壤等自然要素和人類活動的影響中具有過渡性和波動性的特點[11]，其對環境條件的變化較相鄰的生態系統更加的敏感，尤其是對氣候條件的變化其能夠顯現出更為明顯的變化特征，該區域屬于高原山地溫帶、寒溫帶季風性氣候，夏季受來自太平洋的東南暖濕氣流和印度洋的濕熱氣流影響，降水較為豐富，冬季受蒙古—西柏利亞干冷氣流的影響，降水較少，是氣候變化的敏感區域；該區域地表復雜、巖石破碎，屬于高山、亞高山、中山峽谷區域，生態環境脆弱，且大部分地區屬于四川省藏區貧困連片區。本文采用標準化降水指數(SPI)[12]、M-K突變檢驗法[13]、反距離權重插值法[14]等方法對南方農牧交錯帶地區的降水時空變化特征及旱澇災害發生的時間特征和空間格局進行了研究，以期掌握該區域旱澇災害形成機理和時空演化規律，為旱澇災害決策支持、牧區生態重建及保護、進一步改善特困區人民的生活狀況提供科學參考。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

本文研究的氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn/)，植被覆蓋度數據來源于全球地理信息資源目錄服務系統(http:∥www.webmap.cn/main.do?method=index)。該區域內共有21個氣象站點，經過篩選最終選取了分布于該區域范圍內的巴塘、道孚、德格、稻城、甘孜、紅原、九龍、康定、理塘、馬爾康、木里、若爾蓋、色達、松潘、小金、新龍、鹽源、德欽、維西、香格里拉20個氣象站點1960—2017年的逐日降水數據。由于某些站點的數據因某種原因導致缺測，所以本文所用的數據是通過對某些缺測月份的數據進行了插值處理之后的數據，從而構建季節、年平均降水量時間序列，SPI3表示季平均降水量的時間序列，其中3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為冬季，12月至翌年1—2月為春季[15]；SPI12屬于年平均降水量的時間序列，以此來開展南方農牧交錯帶旱澇災害時空分布特征的研究。

1.2 研究方法

1.2.1 反距離權重插值(IDW) IDW是一種常用而簡便的空間插值方法，它以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大[14]。其原理是IDW通過對臨近區域的每個采樣點值平均運算獲得內插單元值，其是一個均分過程，這一方法要求離散點均勻分布，并且密集程度足以滿足在分析中反映局部表面變化[15]，表達式為:

(1)

式中：Zs0——在s0處的預測值；N——預測過程中要使用的預測點周圍樣點的數量；λi——在預測過程中使用的各樣點的權重，該值隨著樣點與預測點之間的距離的增加而減少；Z(si)——指在si處獲得的預測值。

1.2.2 M-K突變檢驗 Mann-Kenda(M-K)突變檢驗法是一種非參數統計檢驗方法，以時間序列平穩為前提，變量不受正態分布特征的限制。本文選用了該方法對研究區的年平均降水量進行了突變檢驗，具體的計算步驟參照參考文獻[16]。

1.2.3 標準化降水指數(SPI) 標準化降水指數(SPI)是McKee等[17]提出的表征某時段降水量出現概率多少的指標，適用于月以上尺度相對當地氣候狀況的干旱監測與評估，能較好地反映干旱強度和持續時間。SPI指數首先利用Γ分布概率來描述降水量的變化，再將此頻率進行正態標準化處理，最終用標準化后的降水累積頻率分布來劃分干旱等級[18]。標準化降水指數的具體計算步驟見參考文獻[18]。干旱等級劃分結果詳見表1。

2 結果與分析

2.1 降水量時間變化

2.1.1 降水量的年際變化 圖1為南方農牧交錯帶年均降水量時間分布圖。由圖1可知，該區域近58 a來的年平均降水量為709.3 mm；降水量最多的年份是1998年，降水量達到862.35 mm，比平均值高出了21.5%，降水量最少的年份是1967年，降水量為612.58 mm，兩者之間相差了249.77 mm，降水量的年際變化較大。從圖1還可以看出，在58 a來，南方農牧交錯帶的降水量呈遞增的趨勢發展，增長率為3.98 mm/10 a。從變化階段看，1983—1998年降水量呈明顯的上升趨勢，20世紀60年代前期、90年代的降水量明顯高于多年降水量的平均值，降水較為豐沛，相比較而言在該時間段內為該區域的多雨期；而在20世紀60年代后期到80年代前期的大部分年份、2006和2011年的降水量明顯低于平均水平，可以看出其降水量值為58 a中的最低值，說明在該時間段內，該區域的降水量較少，為較明顯的枯水期。從圖1南方農牧交錯帶年平均降水量變化的5 a滑動平均曲線可以得出，年平均降水量呈現出階段性變化特征。20世紀60—70年代中期降水量的變化幅度較大，降水量呈急劇減少的趨勢；70年代中期至90年代降水量呈較為平緩的波動增長狀態，進行入21世紀以來，降水波動幅度顯現出急劇減少的態勢，在2010年之后呈穩步上升的狀態。

表1 標準降水指數(SPI)與旱澇等級

圖1 南方農牧交錯帶年平均降水量變化趨勢

2.1.2 降水量的季節變化 圖2為南方農牧交錯帶地區近58 a來的季平均降水量分布圖。從圖2中可以得出，該地區的降水量在季節分布上差異較為顯著，春、夏、秋、冬四季在58 a以來的平均降水量分別為123.16，396.98，162.77和17.45 mm，其在全年的降水量占比分別為18.63%，55.96%，22.84%和2.46%，降水量主要集中在夏季，該季節的降水量占比超過全年總降水量的1/2。其次，從季節降水量變化趨勢進行分析可以得出，春、秋、冬三季的降水均呈增長趨勢，增長率分別為3.72，0.60和0.223 mm/10 a,其中只有春季降水的增長傾向率通過了α=0.05的顯著性水平檢驗，說明春季降水的增長趨勢最為明顯；夏季的降水量呈減少的趨勢，減少傾向率為0.50 mm/10 a。根據降水的季節變化可以得出，南方農牧交錯帶的近58 a的降水量呈增加的趨勢主要是以春季降水的顯著增長為特點。

圖2 南方農牧交錯帶地區季平均降水量分布

2.2 降水量突變Mann-Kendall(M-K)檢驗

本文以南方農牧交錯帶年平均降水量序列為基礎，利用DPS數據處理系統對南方農牧交錯帶近58 a來的年平均降水量進行了M-K檢驗(圖3)，圖中UF表示正向時間序列統計值，UB表示逆向時間序列統計值，從中可以得出，UF和UB曲線存在4個交點，分別為1960，1962，1966和1990年。從圖3可以看出，60年代存在3個微弱的突變點，說明60年代的年平均降水量波動變化明顯，年際分配不均；而90年代的突變最為明顯，根據UF和UB曲線的交點，可以確定該區域的年平均降水量在1990年發生突變，1990年以來降水量顯著增多。通過對突變前后年平均降水量的分析發現，1960—1989年的年平均降水量為699.61 mm；1990—2017年的年平均降水量為718.44 mm。

圖3 南方農牧交錯帶年平均降水量M-K檢驗

2.3 年平均降水量空間變化

附圖3為南方農牧交錯帶年均降水量空間分布圖及變化傾向率空間分布圖。從降水量空間分布圖中可以得出，該區域年降水量在539.68～867.03 mm，降水量最大值與最小值之間相差330 mm左右，降水量空間分異顯著，且呈現出由東南向西北遞減的趨勢。年均降水量大致以維西—理塘—若爾蓋為分界線，該界線西部地區的降水量為500～690 mm，該界線東部地區的降水量在690～870 mm，其中南部和東部某些地區的年降水量>800 mm，降水較為豐富。該區域年均降水量存在兩個高值中心和一個低值中心，高值中心分別為“木里—九龍”、“維西”，其中“木里—九龍”的降水量高達915.06 mm，“維西”的降水量高達823.94 mm；降水量低值中心出現在“巴塘”，低值中心的降水量低至483.48 mm。該研究成果與胡浩然等人[19]對于青藏高原東部近50 a來降水的時空變化特征的研究結論一致，研究均發現南方農牧交錯帶和青藏高原東部降水量發展趨勢都呈現出由東南向西北遞減的趨勢，其降水量的高值區集中在川西高原的九龍、木里等地。

從變化傾向率空間分布圖可以得出，南方農牧交錯帶地區的年降水量的增減變化以松潘—馬爾康—新龍—理塘—稻城一線為界線。該線以東地區的年降水量都呈較為顯著的增長趨勢，降水的增長傾斜率變化范圍在3.07～24.79 mm/10 a之間變化，其中康定的年降水量呈最為明顯增長的態勢，增長率達到了24.79 mm/10 a；其次新龍、道孚、理塘、甘孜、馬爾康、松潘、木里等7個地區的年降水量呈較為明顯的增長，年降水量的增長傾向率在7.56～14.22 mm/10 a之間；稻城、德格、德欽、小金、維西等地的降水量則呈輕微的增長態勢，年降水量增長傾斜率在0.27～6.32 mm/10 a之間，年降水量增長不是很明顯。該線以西地區的年降水量則呈減少的趨勢，年降水量的減少傾向率在-2.48～-12.13 mm/10 a范圍之間變化，其中若爾蓋、鹽源和色達的年降水量減少最為顯著，減少傾向率分別為12.13，8.60和5.14 mm/10 a。總之研究區域的年降水量東部地區呈增長的態勢發展，西部地區呈減少的態勢發展。

2.4 影響因素分析

首先，南方農牧交錯帶的降水量主要集中在夏季，降水由于受來自太平洋的暖濕的東南氣流和印度洋濕熱西南氣流的影響。夏季，東南暖濕氣流影響區域降水量豐富，青藏高原東部邊緣區域由于受地形抬升作用的影響，降水量梗充沛，如九龍、康定、木里等地降水較高，而德格、色達、甘孜等地處于青藏高原東部的高原面上，東南暖濕氣流受到青藏高原的阻擋，導致其降水量少。農牧交錯帶西南部分主要受來自印度洋濕熱氣流的控制，降水量豐富，如維西地區降水量較高，由于青藏高原的分流作用，使得西南濕熱氣流對南方農牧交錯帶西北部的影響削弱，因而西北部的降水量較少。冬季南方農牧交錯帶主要受蒙古西伯利亞干冷氣流的影響，降水少。總之夏季降水豐沛主要受海洋濕熱氣團的控制，而冬季降水偏少主要受大陸氣團影響；維西、九龍—木里位于青藏高原東南緣與川東盆地向青藏高原的過渡地帶，主要受東南季風的影響，降水量相對豐富，形成降水量高值中心。巴塘、德格等由于青藏的屏障作用，使得西南季風在到達該區域西北部的時候，影響就被極大的削弱，從而導致該區域西北部的降水較少，因此就形成了在該地區東南地區降水較為豐富，西北地區降水較少的局面。

其次，海拔高度也是影響降水量多少的一個關鍵性因素，通過對該區域20個站點的多年平均降水量及其站點相對應的海拔高度進行相關分析得出的結果發現p=-0.33，降水量與海拔高度之間的關系呈明顯的負相關，即海拔高度高的區域降水量少；海拔高度相對較低的研究區，降水量豐沛。從DEM圖中可以看出，南方農牧交錯帶地區的海拔為東南地區的海拔高度要低于西北地區的海拔，因此研究區域的降水呈現出由東南向西北遞減的趨勢。

最后，下墊面因素如地形起伏、植被蓋度、土壤性質、地質條件等也會對研究區域的降水產生一定的影響，其主要是通過改變大氣中的水汽含量來實現的，影響該區域降水量多少的主要的下墊面因素是地表植被覆蓋度，地表植被覆蓋度較高的地區，其的蒸發量就會增大，從而空氣中的濕度就會有所增大，最終導致其降水量就會有所增加，從圖4可以看出，維西、九龍—木里所形成的兩個降水量的高值中心處的植被覆蓋率形成降水量的兩個高值中心都在80%～100%之間；而地表植被遭到破壞或者是植被覆蓋原本就比較少的區域，其蒸發量就相對較小，空氣中的濕度就相對會減少，降水量也會隨之減少，從圖4可以看出研究區域降水量的低值中心位于巴塘，年平均降水量在483.57～604.09 mm之間，相較于研究區域的其他地區來說，降水量偏少，而該地區的植被覆蓋率也在10%～30%的范圍內，與其他的地區相比植被覆蓋率相對而言較小，因此可以得出植被覆蓋率的高低與降水量的多少大致呈正比例關系。

2.5 南方農牧交錯帶旱澇災害多時間尺度分析

本文以南方農牧交錯帶1960—2017年逐月降水數據為基礎，分別計算了3個月、12個月時間尺度的SPI值(分別用SPI3，SPI12表示)，如圖5所示，以此來表征該區域的旱澇發生的時間特征與旱澇災害的嚴重程度。其中SPI3是較短時間周期內旱澇尺度分析，受短時間內的降水影響較大，數值波動較為頻繁，能夠較好的反應較短時間內的旱澇變化情況。從SPI3序列圖中可以看出，在1961年的夏季、1968年的冬季、1969年春季、1972年的夏季、1983年的夏季、1986年的夏季、2006年的夏季和秋季、2013年的冬季、2015年的秋季SPI值為-2.11，表明在幾個年份的該季節旱澇程度達到了極端干旱的程度，旱情嚴重；而在1961年夏季、1989年秋季與冬季、1993年秋季、1994年春季、1998年夏季與秋季、2005年冬季、2008年冬季、2016年春季的SPI值為2.11，表明在這些年份的季節中澇情嚴重，達到了重澇的程度，降水量極為豐富從而導致極端濕潤。因此從關于SPI3的旱澇情況分析中可以看出，SPI3能夠很好地反映旱澇發生的季節變化特征。

圖4 南方農牧交錯帶氣象站點的植被覆蓋度分析

圖5 南方農牧交錯帶1960-2017年3，12個月時間尺度的SPI變化過程

SPI12是較長時間尺度下的旱澇變化情況，在此種較長時間尺度下旱澇的周期變化特征較為明顯。由SPI12序列圖可以得知，南方農牧交錯帶地區20世紀80，90年代偏澇，在該時間段內澇災發生的頻率較高；20世紀70年代偏旱，在該時間段內旱災發生的頻率較高；20世紀60年代、90年代旱澇災害交替出現，但是60年代發生的旱災頻率要高于澇災頻率，90年代發生澇災的頻率要高于旱災的頻率，所以60年代整體偏旱，干旱化趨勢明顯，90年代整體偏澇；進入21世紀之后旱澇發生的頻率有所減少，2006，2007，2009和2011年處于偏澇年份、2000，2003，2010，2017年處于偏旱年份，其于年份發生旱澇災害的程度從SPI12的指示狀態來看都屬于正常的年份，表明進入21世紀，南方農牧交錯帶地區的旱澇災害發生的頻率有所減少，降水量趨于正常，這種現象的發生是由于多種因素影響而形成的。通過對SPI12序列圖的分析發現，SPI12對長時間尺度內的旱澇災害程度的變化具有良好的判斷作用，其不僅能夠較為準確的判斷出旱澇變化情況的年際變化特征，還能夠很好的反映研究區域內旱澇災害的發展趨勢，對于預防旱澇災害有一定的指導作用。從SPI12序列值可以看出，南方農牧交錯帶地區總體在21世紀之前偏澇，在2000年之后的前幾年澇災減少，發生旱災的頻率增加，但是在2010年之后的SPI12指數值趨于正常，且保持平穩定，旱澇災害減少，指數趨于平穩。

由于每年夏季風進退時間不一致，導致該區域年際降水量差別很大，最高年平均降水量(862.35 mm)是最低年平均降水量(612.58 mm)的1.4倍，降水量年際變化很大；該區域降水量主要集中在夏季，夏季年平均降水量達396.98 mm占全年降水量的55.96%，降水量的年內分配極不均衡，因此降水量的年際、年內分配不均是造成區域旱澇災害發生的主要因素。

3 討論與結論

(1) 南方農牧交錯帶地區在58 a來年的降水量時間變化上整體呈現出增加的趨勢，年平均降水量平均遞增率為3.98 mm/10 a；春季降水的增長趨勢最為明顯，降水增長率為3.72 mm/10 a；降水主要集中在夏季，夏季均降水達到了396.98 mm。用M-K方法檢測出研究區域年平均降水量在1960，1962，1966和1990年存在突變點，其中60年代的年平均降水量波動變化明顯，年際分配不均；突變最為明顯突變最為明顯的年份為1990年。

(2) 南方農牧交錯帶地區的年平均降水量在空間上的分布其大致以維西—理塘—若爾蓋為分界線，呈現出一種由東南向西北遞減的趨勢；研究區域的年平均降水量存在高、低值中心，其中降水量高值中心存在兩個，即“九龍—木里”、“維西”降水量高值中心，年平均降水量的低值中心出現在川西高原的“巴塘。氣候、大氣環流、地形、海拔高差、下墊面等因素是影響該區域降水量空間分布不均的主要因素。

(3) 研究區域的年降水量的增減變化以松潘—馬爾康—新龍—理塘—稻城一線為界線。該線以東地區的年降水量都呈較為顯著的增長趨勢，增加傾向率在3.07～24.79 mm/10 a之間變化，以西地區的年降水量呈較為顯著的減少趨勢，減少傾向率在-2.48～-12.13 mm/10 a范圍之間變化。

(4) 南方農牧交錯帶地區旱澇災害進行多時間尺度分析發現其具有一定的時間階段特征，20世紀80—90年代偏澇，澇災發生的頻率較高；在20世紀70年代偏旱，旱災發生的頻率較高；20世紀60，90年代旱澇災害交替出現，但是60年代以旱災為主，進入21世紀之后，研究區旱澇災害發生大的頻率有所減少。

目前由于氣候變化導致全球變暖的趨勢有所增強，并且對全球的水循環造成了一定的影響，發生的災害性天氣等對人們的生產生活等活動造成了一定程度上的破壞。本文探討了變化環境下南方農牧交錯帶的降水變化規律、旱澇發生的情況等進行了研究，該研究對區域水資源利用及防洪抗旱具有一定的借鑒價值。但由于篇幅限制，本文所用研究方法稍顯簡單，研究深度有待于加強，僅從降水、大氣環流、植被蓋度等方面對降水時空分布及旱澇災害的影響進行了分析，沒有考慮下墊面性質、降雨日數、人類生產生活、土地利用類型與方式、地質地貌特征等方面進行詳細的分析，有待于對影響干旱的因素進行更深一步的研究。